CN104281633B - 水利信息移动导航定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水利信息移动导航定位系统，包括：信息导航与定位模块、空间分析模块、地图控制浏览模块、空间查询模块、专题查询模块、移动办公模块和系统管理及配置模块；信息导航与定位模块包括：GPS定位子模块、实时跟踪子模块、航迹回放子模块和卫星天空视图显示子模块。采用模块化设计模式，从空间数据存储格式、空间数据存储方式等多个角度进行改进，具有水利信息查找速度快的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种定位系统，具体涉及一种水利信息移动导航定位系统。
背景技术
随着计算机技术的飞速发展，全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)在各行各业中得到广泛的重视和应用，两者的集成化程度也曰益加强，实现了GPS导航信息在GIS上的可视化、一体化和集成化，能够在地图上实时动态地跟踪目标和显示地理位置。数字地图具有信息丰富、直观易懂、更新方便、实用灵活等特点，GIS为GPS提供了可视化的原始地图背景，GPS定位为GIS提供了采集数据信息的新方法，两者关系愈加紧密。
但是，由于水利信息数据量大，将已有的导航系统应用于水利信息领域时，具有地图显示速度慢、数据查询速度慢的不足，从而不方便水利工作人员使用。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种水利信息移动导航定位系统，采用模块化设计模式，从空间数据存储格式、空间数据存储方式等多个角度进行改进，具有水利信息查找速度快的优点。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种水利信息移动导航定位系统，包括：信息导航与定位模块、空间分析模块、地图控制浏览模块、空间查询模块、专题查询模块、移动办公模块和系统管理及配置模块；
所述信息导航与定位模块包括：GPS定位子模块、实时跟踪子模块、航迹回放子模块和卫星天空视图显示子模块；所述GPS定位子模块用于接收目标物的空间数据，然后将该空间数据发送给所述空间分析模块和所述实时跟踪子模块；所述实时跟踪子模块用于实时记录接收到的空间数据，形成目标物的运动航迹并存储到航迹存储单元，同时，发送给所述空间分析模块；所述航迹回放子模块用于从所述航迹存储单元中读取并播放需要时段的运动航迹；所述卫星天空视图显示子模块用于实时显示卫星天空视图；
所述空间分析模块用于分析接收到的目标物的空间数据和运动航迹，进而测算出目标物的距离、面积和路径，得到测量结果；
所述地图控制浏览模块包括匹配子模块、图层控制子模块、比例尺操作子模块、地图浏览子模块和制图输出子模块；所述匹配子模块用于对所述空间数据和空间矢量地图进行地图匹配；所述图层控制子模块用于控制地图图层的显示属性；所述比例尺操作子模块用于控制地图的显示比例，包括：全图显示、放大地图显示和缩小地图显示；所述地图浏览子模块用于控制地图浏览模式，包括地图漫游；所述制图输出子模块用于将最终制得的地图输出到显示界面；
所述空间查询模块包括地图查询子模块、目标查询子模块、区域查询子模块和点图查询子模块；
所述专题查询模块包括河湖基本情况查询子模块、水利工程查询子模块、水利行业单位查询子模块、防汛抗旱物资仓库查询子模块、避难所查询子模块、防治监管信息查询子模块和调度联络查询子模块；
所述移动办公模块包括日常管理子模块、会议管理子模块、通知通告子模块、公文列表子模块和参考大全子模块；
所述系统管理及配置模块包括符号库管理子模块、文件路径设置子模块、安全管理子模块、系统参数设置子模块、系统参数管理子模块和曰志管理子模块。
优选的，所述空间数据为空间矢量数据；所述空间矢量数据以数据元素的二进制数据格式进行存储。
优选的，所述空间数据采用空间索引方式存储；所述空间索引指：依据空间对象的位置、形状以及空间对象之间的空间关系，按移动顺序排列的数据结构。
优选的，所述空间索引采用基于最小外接矩形的空间索引方法，即：通过计算各线状和面状元素的顶点坐标，得到每个非点状元素的最小外接矩形，并将该最小外接矩形存储在RAM中；当索引查询时，比较各非点状元素的最小外接矩形，如在外接矩形之内或与之相交，则进行计算以确认是否为索引目标，否则继续搜索下一个元素，直到查找到符合要求的索引目标为止。
优选的，所述匹配子模块匹配过程具体为：所述匹配子模块对空间矢量地图基于矢量数据自动拓扑算法重新构建完整的空间拓扑关系；其中，所述矢量数据自动拓扑算法为：采用线群自相交与互相交的栅格索引断链方法和基于最小外切矩形MBR的方式自动构建空间拓扑关系，并自动生成面域内点。
优选的，所述水利信息移动导航定位系统安装在PDA上；PDA通过GPS接收机接收目标物的定位数据；其中，PDA与GPS接收机之间的数据传输方法为：GPS接收机采用异步串行方式，利用RS232串行二进制数据交换电缆接口，将采集到的空间数据通过串行端口传输给PDA；PDA按照相应协议读取该空间数据，并将空间数据从WGS284坐标系转换到地图矢量数据所在的高斯280坐标系中，最后通过地图匹配，进行目标物的定位。
本发明的有益效果如下：
(1)空间矢量数据以数据元素的二进制数据格式进行存储，提高地图显示速度和空间查询性能；
(2)空间数据采用空间索引方式存储，进一步提高图形显示和空间查询的性能；
(3)具有使用方便、结构简洁、层次清晰的优点，还具有通用性、重用性，易扩展、高性能、高安全性的优点。
附图说明
图1为本发明提供的水利信息移动导航定位系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，本发明提供一种水利信息移动导航定位系统，包括：信息导航与定位模块、空间分析模块、地图控制浏览模块、空间查询模块、专题查询模块、移动办公模块和系统管理及配置模块。下面分别详细介绍各模块的功能。
(一)信息导航与定位模块
信息导航与定位模块包括：GPS定位子模块、实时跟踪子模块、航迹回放子模块和卫星天空视图显示子模块。
(1)GPS定位子模块
GPS定位子模块用于接收目标物的空间数据，然后将该空间数据发送给空间分析模块和实时跟踪子模块。本发明中，空间数据为空间矢量数据；所述空间矢量数据以数据元素的二进制数据格式进行存储。其中，空间数据采用空间索引方式存储。
具体的，对于GIS而言，数据是基础，数据格式定义的好坏，直接影响到功能模块的效果和速度，甚至决定某些功能是否能够实现。移动导航定位系统的数据格式更是如此，决定空间矢量数据所占空间的大小、直接影响地图显示和空间查询的性能。因此，本发明中，可在PDA上运行的GIS数据格式，包括各种基本的数据元素，其数据元素组织分配方式在程序设计中调用方便快捷，通过格式转换，实现了多种格式的源数据的载入，并对空间矢量数据进行了大压缩比的数据压缩。在本发明中，尽量采用数据量小的数据存储类型，删除不必要的数据元素，使空间矢量数据精炼而又完整。对整个数据采用二进制的存储方式，从而增加数据的保密性，同时又大大减少了数据占用空间的大小。实践证明，对一幅标准1：50000的地形图数据，经过数据处理后，压缩比能达到10倍左右。以一幅空间矢量数据为8MB的地图来计算，经过压缩后能达到800KB～1MB。对于目前主流的PDA，32MB的存储器去掉操作系统和应用软件部分所占用的存储空间，能存储这样的地图20幅左右，基本解决了空间矢量数据的存储问题。对于系统更大范围的运用，还可以把数据存储在外置扩展存储卡(如CF卡、SD卡等)中。目前，外置扩展存储卡的最大容量已达到1G，已完全能满足移动用户的需要。如果在通信系统完善的情况下，实现空间矢量数据的实时传输，则能更好地解决数据存储及数据更新的问题。
为提高图形显示和空间查询的性能，本发明还采取空间索引技术存储空间数据。空间索引是指依据空间对象的位置、形状以及空间对象之间的某种空间关系，按移动顺序排列的一种数据结构。空间索引技术对于提高空间数据的存取效率至关重要。PDA上构建空间索引，要同时考虑PDA的内存大小和微处理器的处理能力，尽量降低算法复杂度，缩短搜索时间。本发明提供的空间索引指：根据格网索引的思想，采用基于最小外接矩形的空间索引方法，即通过计算各线状和面状元素的顶点坐标，得到每个非点状元素的最小外接矩形，并将其存放在RAM中。当索引查询时，比较各非点状元素的最小外接矩形，如若在外接矩形之内或与之相交，则进行计算以确认是否为索引目标，否则继续搜索下一个元素，直到找到符合要求的索引目标为止。通过该种空间索引方法，具有占用的数据量小，搜索速度提高2～3倍的优点。
(2)实时跟踪子模块
实时跟踪子模块用于实时记录接收到的空间数据，形成目标物的运动航迹并存储到航迹存储单元，同时，发送给所述空间分析模块；所述航迹回放子模块用于从所述航迹存储单元中读取并播放需要时段的运动航迹；所述卫星天空视图显示子模块用于实时显示卫星天空视图。
(二)空间分析模块
空间分析模块用于分析接收到的目标物的空间数据和运动航迹，进而测算出目标物的距离、面积和路径，得到测量结果。
(三)地图控制浏览模块
地图控制浏览模块包括匹配子模块、图层控制子模块、比例尺操作子模块、地图浏览子模块和制图输出子模块。
其中，匹配子模块用于对空间数据和空间矢量地图进行地图匹配；匹配子模块匹配过程具体为：由于许多空间矢量地图缺少完整的空间拓扑关系，所以需要对空间矢量地图基于矢量数据自动拓扑算法重新构建完整的空间拓扑关系。矢量数据自动拓扑算法的基本步骤和要点包括：链的组织、结点匹配、检查多边形是否闭合、建立多边形、岛的判断、确定多边形的属性。本发明采用面向对象建模与部件模型的思想，设计了一种有效的空间关系数据模型。通过采用线群自相交与互相交的栅格索引断链方法和基于MBR(MinimumBounding Rectangle)，最小外切矩形的方式自动构建空间拓扑关系，并自动生成面域内点。拓扑关系自动生成的过程为：
(1)断链：弧段自动断开，使整幅图形无互相交或自相交弧段；
(2)结点匹配：建立点、弧段间的网络拓扑关系；
(3)建立多边形：以左转算法或右转算法跟踪，生成多边形，建立多边形与弧段的关系；
(4)生成内点：自动生成多边形内点；
(5)嵌套关系生成：建立多边形嵌套关系树，找出多边形包含的“岛屿”，建立多边形与多边形之间的关系；
(6)面号调整：对具有嵌套关系多边形的关联弧段的左右面号进行调整。
另外，更进一步的，在地图匹配过程中，还需要将获取的GPS等定位数据与GIS中的道路层数据进行匹配，消除或减少各种误差产生的影响，使目标点精确定位在道路层上。本发明采用的地图匹配算法前提是假设车辆一直在道路上行驶。从导航定位系统的地图匹配的过程分析，地图匹配中各种情况的出现主要表现在两个方面：GPS数据接收情况和道路的地形特征。GPS数据接收情况可分为三种：有效数据正常接收、较大漂移误差和没信号。影响地图匹配的道路地形特征也有三种：并行道路、合点、分点。
图层控制子模块用于控制地图图层的显示属性。
比例尺操作子模块用于控制地图的显示比例，包括：全图显示、放大地图显示和缩小地图显示。
地图浏览子模块用于控制地图浏览模式，包括地图漫游；所述制图输出子模块用于将最终制得的地图输出到显示界面。
(四)空间查询模块
空间查询模块包括地图查询子模块、目标查询子模块、区域查询子模块和点图查询子模块。
(五)专题查询模块
专题查询模块包括河湖基本情况查询子模块、水利工程查询子模块、水利行业单位查询子模块、防汛抗旱物资仓库查询子模块、避难所查询子模块、防治监管信息查询子模块和调度联络查询子模块。
(六)移动办公模块
移动办公模块包括日常管理子模块、会议管理子模块、通知通告子模块、公文列表子模块和参考大全子模块。
(七)系统管理及配置模块
系统管理及配置模块包括符号库管理子模块、文件路径设置子模块、安全管理子模块、系统参数设置子模块、系统参数管理子模块和曰志管理子模块。
本发明中，水利信息移动导航定位系统以PDA为开发平台，综合运用卫星导航定位、嵌入式技术、地理信息系统等技术。在PDA上开发GPS数据处理软件，首先要解决PDA和GPS接收机的串口通信问题。在GPS接收机和PDA的数据传输过程中，PDA的串行端口作为CPU和串行设备间的编码转换器，提供了计算机与掌上电脑之间的数据传输通道。作为数据终端设备，GPS接收机采用异步串行方式，利用RS232串行二进制数据交换电缆接口，将采集到的空间数据通过串行端口传输给PDA。PDA按照相应格式(如NMEAO183协议)读取空间数据，并将空间数据从WGS284坐标系转换到地图矢量数据所在的高斯280坐标系中，最后通过地图匹配，实现目标物的定位。
另外，由于GIS软件对计算机CPU的使用需求较大，而在传统的采用定时器控制通信的方式中，对CPU的占有量大，不利于数据的实时处理，降低整个系统的效率，甚至可能导致数据丢失。而本发明中，采用多线程实现GPS接收机和PDA的接口通信，充分利用WindowsCE编程多任务、多线程的优越性，提高CPU的利用率，使整个系统具有更高的使用效率和稳定性。
本发明提供的水利信息移动导航定位系统，系统的设计不仅需要满足使用方便、结构简洁、层次清晰的要求，，还要保证系统的通用性、重用性，易扩展、高性能，同时还需要保证数据的安全性，具体说明如下：
(1)良好的可用性、通用性
系统提供给用户良好的使用体验，以直观明了的方式展现给用户，并且提供尽可能完善的功能，满足用户的各种使用需要；同时系统也满足水利行业的相关功能需求，满足各种不同用户的需要，使其具有良好的通用性和行业扩展性。
(2)良好的扩展性
系统设计除满足现在的水利业务需要以外，还充分考虑水利业务发展的需要和业务的变更，随着水利业务的发展和变化，可能会有不同的功能需要，因此系统具有良好的可伸缩性、扩展性，避免因为以后业务的变化而产生大规模的修改，造成成本的浪费。
(3)可定制性
水利设施巡检，虽然有国家标准，但每个省、市、地方的标准也不尽相同，不同客户的需求也存在一些差异，为满足不同地方用户的不同需求，系统具有可定制的特点，只需进行适当的配置，即可满足不同的功能需要。
(4)重用性好、模块化、松耦合
可重用的软件组件避免不必要的重复开发工作，减少代码维护量，减少系统冗余。所有组件在设计时都尽量减少对其应用环境和条件的假设，而应设计的通用。可重用的组件更容易发现其中存在的问题，从而提高系统架构的质量，同时也有利于系统的修改维护；另外采用模块化、组件化的编程思想，可灵活地进行各功能模块的加(卸)载，使系统具一定程度的伸缩性，降低功能与功能之间的耦合，让系统结构清晰明了，使不同组件可以自由地拆分而互相之间没有什么影响，也大大方便系统的后期升级和维护。
(5)高负载能力，高可靠性
系统的特点是大数据量、而且对数据的准确度要求很高。本发明采用经过严格考验的成熟的技术架构作为基础进行开发保证数据的安全可靠性。
(6)安全性高
随着水利业务的发展，对系统的稳定性和安全性的要求也随之提高。从设计之初，安全性就是研究考虑的关键问题。本发明具备适当的授权和验证机制，安全通信能力等，以保证数据安全，防止非法用户使用系统。
(7)易于部署和维护
系统使用C++语言开发技术，采用C／S的体系结构，无需安装其他任何软件即可使用，更易于系统的更新维护；同时只用手动导入数据库，确保数据的安全性、保密性。
本发明可实现43大类基础水利信息的基本情况查询，实现防汛抗旱业务中各类水利设施管理、物资仓库管理、联络人员管理，并通过GIS相关统计分析、路径分析等功能结合GPS实时定位功能，方便水利部门及防汛抗旱部门进行移动办公，为领导决策提供可靠依据。
本发明选用智能化PDA实现了水利变电设备的日常巡检，帮助巡检人员摆脱了原始的纸笔记录方式，达到了设备巡检管理的无纸化办公。巡检人员随身携带PDA可以随时进行巡检，极大提高了巡检的实时性和可靠性，给巡检人员带来了极大的方便，提高了工作效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种水利信息移动导航定位系统，其特征在于，包括：信息导航与定位模块、空间分析模块、地图控制浏览模块、空间查询模块、专题查询模块、移动办公模块和系统管理及配置模块；
所述信息导航与定位模块包括：GPS定位子模块、实时跟踪子模块、航迹回放子模块和卫星天空视图显示子模块；所述GPS定位子模块用于接收目标物的空间数据，然后将该空间数据发送给所述空间分析模块和所述实时跟踪子模块；所述实时跟踪子模块用于实时记录接收到的空间数据，形成目标物的运动航迹并存储到航迹存储单元，同时，发送给所述空间分析模块；所述航迹回放子模块用于从所述航迹存储单元中读取并播放需要时段的运动航迹；所述卫星天空视图显示子模块用于实时显示卫星天空视图；
所述空间分析模块用于分析接收到的目标物的空间数据和运动航迹，进而测算出目标物的距离、面积和路径，得到测量结果；
所述地图控制浏览模块包括匹配子模块、图层控制子模块、比例尺操作子模块、地图浏览子模块和制图输出子模块；所述匹配子模块用于对所述空间数据和空间矢量地图进行地图匹配；所述图层控制子模块用于控制地图图层的显示属性；所述比例尺操作子模块用于控制地图的显示比例，包括：全图显示、放大地图显示和缩小地图显示；所述地图浏览子模块用于控制地图浏览模式，包括地图漫游；所述制图输出子模块用于将最终制得的地图输出到显示界面；
所述空间查询模块包括地图查询子模块、目标查询子模块、区域查询子模块和点图查询子模块；
所述专题查询模块包括河湖基本情况查询子模块、水利工程查询子模块、水利行业单位查询子模块、防汛抗旱物资仓库查询子模块、避难所查询子模块、防治监管信息查询子模块和调度联络查询子模块；
所述移动办公模块包括日常管理子模块、会议管理子模块、通知通告子模块、公文列表子模块和参考大全子模块；
所述系统管理及配置模块包括符号库管理子模块、文件路径设置子模块、安全管理子模块、系统参数设置子模块、系统参数管理子模块和日志管理子模块；
其中，所述空间数据为空间矢量数据；所述空间矢量数据以数据元素的二进制数据格式进行存储；
其中，所述空间数据采用空间索引方式存储；所述空间索引指：依据空间对象的位置、形状以及空间对象之间的空间关系，按移动顺序排列的数据结构；
其中，所述空间索引采用基于最小外接矩形的空间索引方法，即：通过计算各线状和面状元素的顶点坐标，得到每个非点状元素的最小外接矩形，并将该最小外接矩形存储在RAM中；当索引查询时，比较各非点状元素的最小外接矩形，如在外接矩形之内或与之相交，则进行计算以确认是否为索引目标，否则继续搜索下一个元素，直到查找到符合要求的索引目标为止；
其中，所述匹配子模块匹配过程具体为：所述匹配子模块对空间矢量地图基于矢量数据自动拓扑算法重新构建完整的空间拓扑关系；其中，所述矢量数据自动拓扑算法为：采用线群自相交与互相交的栅格索引断链方法和基于最小外切矩形MBR的方式自动构建空间拓扑关系，并自动生成面域内点；
拓扑关系自动生成的过程为：
(1)断链：弧段自动断开，使整幅图形无互相交或自相交弧段；
(2)结点匹配：建立点、弧段间的网络拓扑关系；
(3)建立多边形：以左转算法或右转算法跟踪，生成多边形，建立多边形与弧段的关系；
(4)生成内点：自动生成多边形内点；
(5)嵌套关系生成：建立多边形嵌套关系树，找出多边形包含的“岛屿”，建立多边形与多边形之间的关系；
(6)面号调整：对具有嵌套关系多边形的关联弧段的左右面号进行调整。
2.根据权利要求1所述的水利信息移动导航定位系统，其特征在于，所述水利信息移动导航定位系统安装在PDA上；PDA通过GPS接收机接收目标物的定位数据；其中，PDA与GPS接收机之间的数据传输方法为：GPS接收机采用异步串行方式，利用RS232串行二进制数据交换电缆接口，将采集到的空间数据通过串行端口传输给PDA；PDA按照相应协议读取该空间数据，并将空间数据从WGS284坐标系转换到地图矢量数据所在的高斯280坐标系中，最后通过地图匹配，进行目标物的定位。
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| 基于北斗卫星导航定位系统水利监控管理方案;willlis999888;《百度文库》;20130408;第1-60页 * |
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